CN112751503A - 一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，待测流体在流经所述发生体时由于涡街效应的作用，固体摩擦介质依次与基板两侧的第一电极层和第二电极层发生周期性的接触‑分离，在摩擦起电效应和静电感应的耦合作用下，第一电极层和第二电极层之间会产生与涡街频率相等的摩擦电信号，通过测量电信号的频率即可得到待测流体的流量。本发明的一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，解决了传统涡街流量计容易受到环境机械振动干扰的问题，具有成本低廉、不易受环境影响和无需外部电源供能等特点，在热力工程、能源输运、环境监测和医疗检测等领域具有重要应用前景。

Description

一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法

技术领域

本发明属于流体流量检测领域，具体地，涉及一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法。

背景技术

作为工业自动化领域的三大检测参数之一，流量对于工业生产设计以及设备运作维护具有至关重要的作用，低成本地实现流体流量的准确、在线、自供能传感有助于保障设备安全运行，提高企业经济效益。随着电子信息技术的快速发展，流量传感器由传统的孔板流量计和容积式流量计等逐步发展至超声流量计和振动型流量计。超声流量计的声波发射装置需要外部电源供能才能正常使用，无法实现流量传感的自主供能；振动型流量计的基本原理是流体受阻后产生旋涡的频率与流量之间存在一定的关系，其中涡街流量计不受待测流体的温度、压力和密度等热物性参数的影响，是一种比较先进、理想的流量测量仪器。涡街流量计往往采用压电转换装置实现涡街信号的传感，但工业现场中难以避免地会遇到各种机械振动干扰，因此其普遍存在信噪比低、测量范围窄等问题。

随着第四次工业革命的迅猛发展，传感、通信和大数据等技术的有机融合共同推动“万物互联”时代的到来。发展成本低廉、自供能和可在线监测的传感技术已成为当下研究热点。摩擦纳米发电机是一种将摩擦运动中的机械能转换为电能的新型能源转化装置，基本工作原理是摩擦起电和静电感应的耦合效应。当两种不同的材料相互接触并发生摩擦运动时，接触的表面会发生电荷转移；在这两种材料发生分离后，接触表面的正负电荷仍会得到保留并可被用作传感信号，目前已被广泛应用于能源储运、环境监测和医疗健康等领域。涡街信号本质上属于机械振动信号，利用摩擦纳米发电机有望较为灵敏地实现有无旋涡(即涡街频率)的传感，且与应力式传感器不同，利用机械振动引起材料之间发生接触-分离所产生的摩擦电信号不易受到环境的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，可被用于工业生产过程、能源计量、环境保护工程、管道输送、科学实验等领域的流量监测与分析，具有成本低廉、不易受环境影响和无需外部电源供能等特点，在热力工程、能源输运、环境监测和医疗检测等领域具有重要应用前景。

为了实现上述目的，本发明提供一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置包括：本体，用于连接装载待测流体的管道；发生体，用于诱导待测流体在本体内产生扰动形成涡街；基板，用于布置所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的电极材料；第一电极层，用作摩擦纳米发电机的电极；第二电极层，用于与所述第一电极层形成对电极；固体摩擦介质，用于作为摩擦纳米发电机的固体摩擦介质，并起到对所述基板、第一电极层和第二电极层进行封装的作用。

所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置，待测流体在流经所述发生体时由于涡街效应的作用，固体摩擦介质依次与基板两侧的第一电极层和第二电极层发生周期性的接触-分离，在摩擦起电效应和静电感应的耦合作用下，第一电极层和第二电极层之间会产生与涡街频率相等的摩擦电信号，通过测量电信号的频率即可得到待测流体的流量。

所述本体与发生体相连，发生体与基板和固体摩擦介质相连，第一电极层与基板相连，第二电极层与基板相连，发生体、基板、第一电极层、第二电极层与固体摩擦介质共同构成封闭空间。

所述本体，可为不锈钢、聚氯乙烯和光敏树脂等材料；发生体，可为不锈钢、光敏树脂和聚甲基丙烯酸甲酯等材料；基板，可为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯和木材等材料；第一电极层和第二电极层可为金、银、铜和铝等材料；固体摩擦介质可为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯和聚氨酯等材料。

在测量流体流量时，将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的本体和传输流体的管道连接，待测流体流经发生体后带动固体摩擦介质分别与第一电极层和第二电极层发生周期性接触-分离，固体摩擦介质始终带负电，但第一电极层和第二电极层之间存在周期性的电荷转移，单个周期的电荷转移过程可以分为以下四个状态：

状态一：当所述固体摩擦介质受到第一电极层所在一侧的旋涡作用时，固体摩擦介质与第一电极层充分接触，此时第一电极层带正电，第二电极层不带电。

状态二：所述第一电极层所在一侧的旋涡离开固体摩擦介质，固体摩擦介质与第一电极层发生分离并逐渐接近第二电极层，此时第一电极层的正电荷逐渐流向第二电极层，第一电极层和第二电极层都带正电。

状态三：所述固体摩擦介质受到第二电极层所在一侧的旋涡作用，固体摩擦介质与第二电极层充分接触，此时第一电极层的正电荷全部流入第二电极层，第一电极层不带电，第二电极层带正电。

状态四：所述第二电极层所在一侧的旋涡离开固体摩擦介质，固体摩擦介质与第二电极层发生分离并逐渐接近第一电极层，此时第二电极层的正电荷逐渐流向第一电极层。

优选的，根据电容器的基本原理，对于所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，周期性的摩擦电信号可用公式(1)进行描述：

u＝f(f_TENG,t) (1)

式中，u为所述第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量；f_TENG为摩擦电信号的频率；t为时间，f(f_TENG,t)代表不同时间t下的所述第一电极层和第二电极层的摩擦电信号频率f_TENG与电势差或转移电荷量u之间的函数关系式。

对于所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，由于待测流体在流经所述发生体后脱落旋涡的频率与摩擦电信号的频率相等，待测流体来流的体积流量可由式(2)获得：

式中，q_v为待测流体来流的平均速度；m为所述发生体两侧弓形面积与本体横截面积之比；d为发生体的迎流面宽度；S为本体的过流面积；S_r为斯特劳哈尔数。

所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，包括制备与标定过程和测量与数据处理过程两个部分，其中，

所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，制备与标定过程包括步骤：

1)制备过程。首先，制作出所述本体、发生体和基板，得到所述发生体两侧弓形面积与本体横截面积之比m、发生体的迎流面宽度d和本体的过流面积S。在所述基板上布置第一电极层和第二电极层后，利用固体摩擦介质对基板、第一电极层和第二电极层进行封装，将固体摩擦介质和基板同时固定在发生体的背流面，最后将发生体固定在本体内。

2)标定过程。将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的本体和传输流体的管道连接，通入流量q_v已知的流体，记录不同时间t下的第一电极层和第二电极层的摩擦电信号频率f_TENG以及对应的电势差或转移电荷量u的具体数值，得到公式(1)的具体表达式f(f_TENG,t)。根据流量q_v和摩擦电信号频率f_TENG，利用公式(2)标定出斯特劳哈尔数S_r。

所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，测量与数据处理过程在制备与标定过程之后，包括步骤：

将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的本体和传输流体的管道连接，通入待测流体，通过测量不同时间t下的第一电极层和第二电极层的电势差或转移电荷量u，利用公式(1)得到摩擦电信号的频率f_TENG并将其代入公式(2)计算得到待测流体的流量q_v。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，所述固体摩擦介质在涡街的影响下依次与基板两侧的第一电极层和第二电极层发生周期性接触-分离，通过收集待测流体的部分能量产生与涡街频率相等的摩擦电信号并以此得到待测流体的流量，具有成本低廉、不易受环境影响和无需外部电源供能等特点，在热力工程、能源输运、环境监测和医疗检测等领域具有重要应用前景。

附图说明

图1是本发基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法一较佳实施例的结构示意图。附图中所用到的符号的含义如下：1是本体；2是发生体；3是基板；4是第一电极层；5是第二电极层；6是固体摩擦介质。

图2是本发明基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的摩擦电信号随时间变化的关系(水以2m/s的速度在0.05m管径的管内流动)。

图3是本发明基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的摩擦电信号频率与流量(水在0.05m管径的管内流动)的关系。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例提供一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置包括：本体1，用于连接装载待测流体的管道；发生体2，用于诱导待测流体在本体1内产生扰动形成涡街；基板3，用于布置所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的电极材料；第一电极层4，用作摩擦纳米发电机的电极；第二电极层5，用于与所述第一电极层4形成对电极；固体摩擦介质6，用于作为摩擦纳米发电机的固体摩擦介质，并起到对所述基板3、第一电极层4和第二电极层5进行封装的作用。

图2是本发明基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的摩擦电信号随时间变化的关系(水以2m/s的速度在0.05m管径的管内流动)，说明根据不同时间下所述第一电极层4和第二电极层5的摩擦电信号可以准确获取涡街频率，所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的测量灵敏度和分辨率较高。

图3是本发明基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的摩擦电信号频率与流量(水在0.05m管径的管内流动)的关系，说明在涡街的影响下所述固体摩擦介质6与第一电极层4和第二电极层5发生的周期性接触-分离过程，可以很好地反映待测流体的流量，所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法具有良好的线性度。

在本实施例中，所述本体1为光敏树脂，发生体2为光敏树脂，基板3为聚甲基丙烯酸甲酯，第一电极层4和第二电极层5为铝，固体摩擦介质6为聚四氟乙烯。

优选的，所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，包括制备与标定过程和测量与数据处理过程两个部分，其中，

优选的，所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，制备与标定过程包括步骤：

1)制备过程。首先，利用3D打印技术制作出所述本体1、发生体2和基板3，得到发生体2两侧弓形面积与本体1横截面积之比m为0.6482、发生体2的迎流面宽度d为0.014m和本体1的过流面积S为1.96×10^-3m²。在所述基板3上沉积或贴附第一电极层4和第二电极层5后，利用固体摩擦介质6对基板3、第一电极层4和第二电极层5进行封装，将固体摩擦介质6和基板3同时固定在发生体2的背流面，最后将发生体2固定在本体1内。

2)标定过程。将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的本体1和传输流体的管道连接，通入流量q_v为3.93×10^-3m³·s^-1的流体，记录不同时间t下的第一电极层4和第二电极层5的摩擦电信号频率f_TENG以及对应的电势差或转移电荷量u的具体数值。根据电容器的基本原理，对于所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，周期性的摩擦电信号可用正弦型函数进行描述：

式中，u为所述第一电极层4和第二电极层5的电势差或转移电荷量；A为摩擦电信号的振幅；f_TENG为摩擦电信号的频率；t为时间；

为初始相位。最后根据流量q_v为3.93×10^{- 3}m³·s^-1和摩擦电信号频率f_TENG为46.4，利用公式(2)标定出斯特劳哈尔数S_r为0.21。

优选的，所述的基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，测量与数据处理过程在制备与标定过程之后，包括步骤：

将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的本体1和传输流体的管道连接，通入待测流体，通过测量不同时间t下的第一电极层4和第二电极层5的电势差或转移电荷量u，利用公式(3)得到摩擦电信号的频率f_TENG并将其代入公式(2)计算得到待测流体的流量q_v＝8.47×10^-5f_TENGm³·s^-1。

本发明一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法中的本体1、发生体2、基板3、第一电极层4、第二电极层5和固体摩擦介质6所用材料均为常规材料，价格低廉。本发明一种基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法，所述固体摩擦介质6在涡街的影响下依次与基板3两侧的第一电极层4和第二电极层5发生周期性接触-分离，通过收集待测流体的部分能量产生与涡街频率相等的摩擦电信号并以此得到待测流体的流量，具有成本低廉、不易受环境影响和无需外部电源供能等特点，在热力工程、能源输运、环境监测和医疗检测等领域具有重要应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.基于涡街效应的流量传感与能量收集装置，其特征在于，待测流体在本体(1)内流经发生体(2)时由于涡街效应的作用，固体摩擦介质(6)依次与基板(3)两侧的第一电极层(4)和第二电极层(5)发生周期性的接触-分离，在摩擦起电效应和静电感应的耦合作用下，第一电极层(4)和第二电极层(5)之间会产生与涡街频率相等的摩擦电信号，通过测量摩擦电信号的频率即可得到待测流体的流量；本体(1)与发生体(2)相连，发生体(2)与基板(3)和固体摩擦介质(6)相连，第一电极层(4)与基板(3)相连，第二电极层(6)与基板(3)相连，发生体(2)、基板(3)、第一电极层(4)、第二电极层(5)与固体摩擦介质(6)共同构成封闭空间。

2.根据权利要求1所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置，其特征在于，本体(1)为不锈钢、聚氯乙烯或光敏树脂材料。

3.根据权利要求1所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置，其特征在于，发生体(2)为不锈钢、光敏树脂或聚甲基丙烯酸甲酯材料。

4.根据权利要求1所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置，其特征在于，基板(3)为聚甲基丙烯酸甲酯、聚氯乙烯或木材材料；第一电极层(4)和第二电极层(5)为金、银、铜或铝材料。

5.根据权利要求1所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置，其特征在于，固体摩擦介质(6)为聚四氟乙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯或聚氨酯材料。

6.采用如权利要求1所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：制备过程；首先，制作出本体(1)、发生体(2)和基板(3)，得到发生体(2)两侧弓形面积与本体(1)横截面积之比m、发生体(2)的迎流面宽度d和本体(1)的过流面积S，在基板(3)上布置第一电极层(4)和第二电极层(5)后，利用固体摩擦介质(6)对基板(3)、第一电极层(4)和第二电极层(5)进行封装，将固体摩擦介质(6)和基板(3)同时固定在发生体(2)的背流面，最后将发生体(2)固定在本体(1)内；

步骤二：标定过程；将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的本体(1)和传输流体的管道连接，通入流量q_v已知的流体，记录不同时间t下的第一电极层(4)和第二电极层(5)摩擦电信号的频率f_TENG以及对应的电势差或转移电荷量u的具体数值，根据电容器的基本原理，周期性的摩擦电信号u可用公式(1)进行描述：

u＝f(f_TENG,t) (1)

式中，u为第一电极层(4)和第二电极层(5)的电势差或转移电荷量；f_TENG为摩擦电信号的频率；t为时间，f(f_TENG,t)代表不同时间t下的第一电极层(4)和第二电极层(5)的摩擦电信号频率f_TENG与电势差或转移电荷量u之间的函数关系式，由于待测流体在流经发生体(2)后脱落旋涡的频率与摩擦电信号的频率相等，待测流体来流的体积流量可由式(2)获得：

式中，q_v为待测流体来流的平均速度；m为发生体(2)两侧弓形面积与本体(1)横截面积之比；d为发生体(2)的迎流面宽度；S为本体(1)的过流面积；S_r为斯特劳哈尔数。根据流量q_v和摩擦电信号频率f_TENG，利用公式(2)标定出斯特劳哈尔数S_r；

步骤三：测量与数据处理过程；将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置及其方法的本体(1)和传输流体的管道连接，通入待测流体，通过测量不同时间t下的第一电极层(4)和第二电极层(5)的电势差或转移电荷量u，利用公式(1)得到摩擦电信号的频率f_TENG并将其代入公式(2)计算得到待测流体的流量q_v。

7.根据权利要求6所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的方法，其特征在于，在测量流体流量时，将所述基于涡街效应的流量传感与能量收集装置的本体(1)和传输流体的管道连接，待测流体流经发生体(2)后带动固体摩擦介质(6)分别与第一电极层(4)和第二电极层(5)发生周期性接触-分离，固体摩擦介质(6)始终带负电，但第一电极层(4)和第二电极层(5)之间存在周期性的电荷转移，单个周期的电荷转移过程可以分为以下四个状态：

状态一：当固体摩擦介质(6)受到第一电极层(4)所在一侧旋涡的充分作用时，固体摩擦介质(6)与第一电极层(4)充分接触，此时第一电极层(4)带正电，第二电极层(5)不带电；

状态二：当第一电极层(4)所在一侧的旋涡完全离开固体摩擦介质(6)时，固体摩擦介质(6)与第一电极层(4)发生分离并逐渐接近第二电极层(5)，此时第一电极层(4)的正电荷逐渐流向第二电极层(5)，第一电极层(4)和第二电极层(5)都带正电；

状态三：当固体摩擦介质(6)受到第二电极层(5)所在一侧旋涡的充分作用时，固体摩擦介质(6)与第二电极层(5)充分接触，此时第一电极层(4)的正电荷全部流入第二电极层(5)，第一电极层(4)不带电，第二电极层(5)带正电；

状态四：当第二电极层(5)所在一侧的旋涡完全离开固体摩擦介质(6)时，固体摩擦介质(6)与第二电极层(5)发生分离并逐渐接近第一电极层(4)，此时第二电极层(5)的正电荷逐渐流向第一电极层(4)。

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